干式冷卻塔的工作原理是通過一個表面進行熱傳遞，該表面利用對流熱傳遞將工作流體與環境空氣分離，例如在管-空氣換熱器中。它們不使用蒸發。

濕冷卻塔（或開路冷卻塔）的工作原理是蒸發冷卻。工作液和蒸發液（通常是水）是同一種液體。

流體冷卻器（或閉路冷卻塔）是將工作流體通過管束的混合物，在管束上噴灑清水并施加風扇引風。由此產生的傳熱性能更接近于濕冷卻塔，其優點是干冷器可以保護工作流體不受環境暴露和污染。

在濕冷卻塔（或開路冷卻塔）中，如果空氣相對干燥（見露點和濕度），溫水可以冷卻到低于環境空氣干球溫度的溫度。當環境空氣被抽過一股水流時，一小部分水會蒸發，而蒸發該部分水所需的能量則來自剩余的水，從而降低了水的溫度。每磅蒸發水（2 MJ/kg）吸收大約970 Btu的熱能。蒸發導致飽和空氣條件，將塔處理的水的溫度降低到接近濕球溫度的值，該值低于環境干球溫度，這是由環境空氣的初始濕度決定的差異。

為了獲得更好的性能（更多的冷卻），一種叫做填充的介質被用來增加表面積和空氣和水流之間的接觸時間。噴濺填充物包括放置的材料，以中斷水流，導致噴濺。薄膜填料是由水流過的材料薄片（通常是PVC）組成。這兩種方法都增加了流體（水）和氣體（空氣）之間的表面積和接觸時間，以改善熱傳遞。